Aufgaben: Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung

Du lässt einen Metalllöffel in der heißen Suppe stehen und nach einer Weile ist auch der Griff heiß, obwohl er die Flüssigkeit nicht berührt, wie in der Abbildung gezeigt.

Wie heißt der Mechanismus, durch den die Wärme entlang des Löffels gewandert ist? Erkläre ihn kurz.

Die Sonne erwärmt die Erde, obwohl zwischen beiden etwa $150$ Millionen Kilometer leerer Raum liegen, wie in der Abbildung gezeigt.

Welcher Mechanismus der Wärmeübertragung ermöglicht es, dass ihre Energie zu uns gelangt? Warum können es die beiden anderen nicht sein?

Wenn man die Heizung einschaltet, erwärmt sich die Luft im Zimmer nach und nach, beginnend mit der Luft direkt am Heizkörper, die zur Decke aufsteigt, wie in der Abbildung gezeigt.

Welcher Mechanismus verteilt die Wärme in der Zimmerluft? Beschreibe ihn.

Ordne diese Materialien den guten Wärmeleitern oder den Wärmedämmstoffen zu und begründe deine Entscheidung:

1. a) Eine Aluminiumpfanne.
2. b) Der Holzgriff der Pfanne.
3. c) Ein Wollpullover.
4. d) Ein Stahllöffel.
5. e) Ein Korken.

Warum haben Töpfe und Pfannen einen Griff aus Holz oder Kunststoff, statt aus einem einzigen Stück Metall zu bestehen? Erkläre es mit dem, was du über die Wärmeleitung weißt.

Am Strand spürt man mittags eine Brise, die vom Meer zum Sand weht: Die Luft über dem heißen Sand steigt auf und die kühlere Luft vom Meer strömt nach, wie in der Abbildung gezeigt.

Welcher Mechanismus der Wärmeübertragung wirkt hier? Erkläre.

An einem kalten, aber sonnigen Wintertag stellst du dich in die Sonne und spürst Wärme im Gesicht, obwohl die Luft kalt bleibt. Durch welchen Mechanismus gelangt diese Wärme zu dir? Braucht sie Luft, um sich auszubreiten?

Ergänze die Sätze mit dem Namen des fehlenden Mechanismus:

1. a) Bei der $\dots$ wird die Wärme durch direkten Kontakt übertragen, ohne dass sich Materie bewegt.
2. b) Bei der $\dots$ wandert die Wärme mit der Bewegung eines Fluids, wie Luft oder Wasser.
3. c) Bei der $\dots$ breitet sich die Wärme ohne Materie aus, wie bei der Energie der Sonne.

Wenn du eine Pizza backst, wirken alle drei Mechanismen der Wärmeübertragung. Ordne sie zu:

1. a) Der glühende Heizstab erwärmt die Pizza, ohne sie zu berühren.
2. b) Die heiße Luft zirkuliert im Inneren des Ofens.
3. c) Das Backblech erwärmt den Boden des Teigs.

Du berührst das Metallbein deines Schreibtischs und danach die Holzplatte, und das Metall fühlt sich kälter an, obwohl beide seit Stunden im selben Zimmer stehen.

1. a) Haben sie wirklich unterschiedliche Temperaturen?
2. b) Erkläre den Unterschied im Empfinden mithilfe der Wärmeleitung.

Wenn du vor einem brennenden Kamin sitzt, spürst du die Wärme im Gesicht, während Rauch und heiße Luft durch den Schornstein abziehen, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Welcher Mechanismus erwärmt dich?
2. b) Welcher Mechanismus lässt die heiße Luft im Schornstein aufsteigen?

Begründe beide Antworten.

Bei einem eingeschalteten Toaster führst du drei Versuche durch:

1. a) Du hältst die Hand darüber, ohne ihn zu berühren, und spürst, dass heiße Luft aufsteigt.
2. b) Du hältst sie daneben, ohne ihn zu berühren, und spürst ebenfalls Wärme.
3. c) Du berührst ihn mit einem Finger und verbrennst dich.

Bestimme für jeden Fall den Mechanismus der Wärmeübertragung, der wirkt.

Daunenjacken wärmen, weil die Federn viel Luft zwischen sich einschließen.

1. a) Ist ruhende, eingeschlossene Luft ein guter oder ein schlechter Wärmeleiter?
2. b) Erkläre, warum diese eingeschlossene Luft dazu führt, dass unser Körper weniger Wärme verliert.

Eine Pfanne hat einen Boden aus Aluminium und einen Griff aus einem Spezialkunststoff, der Wärme sehr schlecht leitet, wie in der Abbildung gezeigt.

Begründe die Wahl der einzelnen Materialien, indem du überlegst, was die Wärme in jedem Teil der Pfanne tun soll.

Tagsüber weht am Strand die Brise vom Meer zum Land, nachts meist umgekehrt. Erkläre beide Situationen mithilfe von Konvektionsströmungen, wenn du weißt, dass sich der Sand viel schneller erwärmt und abkühlt als das Meerwasser.

Du wickelst eine kalte Getränkedose in ein dickes Wolltuch und lässt eine gleiche Dose ohne Hülle auf der Arbeitsplatte stehen.

1. a) Sage voraus, welche der beiden sich zuerst erwärmt.
2. b) Erkläre die Rolle der Wolle als Wärmedämmstoff: Gibt sie dem Getränk Wärme oder verhindert sie, dass Wärme zu ihm gelangt?

Du befestigst einen Eiswürfel mit einem Gitter am Boden eines mit Wasser gefüllten Reagenzglases und erhitzt den oberen Teil des Glases mit einem Brenner, bis das Wasser oben siedet. Das Eis am Boden schmilzt kaum, wie in der Abbildung zu sehen ist.

1. a) Was zeigt der Versuch über Wasser als Wärmeleiter?
2. b) Warum transportiert die Konvektion die Wärme nicht nach unten bis zum Eis?

Ein Raumschiff wird von der Sonne erwärmt und muss überschüssige Wärme loswerden, ist aber von Vakuum umgeben, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Erkläre, warum es sich weder durch Wärmeleitung noch durch Konvektion abkühlen kann.
2. b) Welcher Mechanismus bleibt ihm, um Wärme abzugeben?
3. c) Die Kühlpaneele von Raumschiffen sind groß, schwarz und flach: Begründe, warum diese Eigenschaften diesen Mechanismus begünstigen.

Du erhitzt Wasser in einem Stahltopf auf einem Gasherd, wie in der Abbildung gezeigt. Beschreibe den Weg der Wärme von der Flamme zum Wasser und bestimme den Mechanismus, der in jedem Abschnitt wirkt:

1. a) Von der Flamme und den heißen Gasen zum Topfboden.
2. b) Durch das Metall des Topfes.
3. c) Vom Topfboden bis zum gesamten Wasser.

Du schenkst heiße Schokolade in zwei Tassen ein: eine aus dünnem Stahl und eine aus dickem Porzellan.

1. a) Welche der beiden verbrennt dir beim Anfassen mehr die Finger?
2. b) In welcher kühlt die Schokolade schneller ab?
3. c) Begründe beide Vorhersagen mithilfe der Wärmeleitung sowie der Dicke und der Art des Materials jeder Tasse.

Im Bad erscheint dir barfuß die Fliese viel kälter als der Teppich, obwohl beide die Temperatur des Hauses haben.

1. a) Erkläre diesen Unterschied im Empfinden.
2. b) Sage voraus, was du spüren würdest, wenn das Bad einen warmen Boden (Fußbodenheizung) mit einer höheren Temperatur als deinem Fuß hätte: Welches Material würde sich dann beim Daraufstehen wärmer anfühlen?
3. c) Begründe die Antwort, indem du überlegst, wer an wen Wärme abgibt und wie schnell das geschieht.

Im Winter, bei eingeschalteter Heizung, öffnet jemand das Fenster weit, um zu lüften.

1. a) Erkläre, durch welchen Mechanismus beim Öffnen des Fensters Wärme aus dem Zimmer verloren geht.
2. b) Was bedeutet weniger Wärmeverlust: fünf Minuten das Fenster weit zu öffnen oder es den ganzen Vormittag gekippt zu lassen? Begründe.
3. c) Schlage eine Möglichkeit vor, das Zimmer zu lüften und dabei weniger Wärme zu verlieren, und erkläre, warum sie funktioniert.

Rettungsdienste wickeln Verletzte in eine Rettungsdecke, eine dünne, silberfarbene Folie.

1. a) Was geschieht mit der Strahlung, die der Körper abgibt, wenn sie auf die silberne Seite der Decke trifft?
2. b) Die Luft zwischen Körper und Decke kann sich kaum bewegen: Wie hilft das, die Verluste durch Konvektion zu verringern?
3. c) Die Decke „gibt keine Wärme", und trotzdem kühlt die Person viel langsamer aus. Erkläre das.

Ein Heizkörper funktioniert besser, wenn er im unteren Teil der Wand statt nahe der Decke angebracht ist. Betrachte die Abbildung, die beide Anbringungen vergleicht:

1. a) Erkläre mithilfe von Konvektionsströmungen, warum das so ist.
2. b) Was würde mit der warmen Luft geschehen, wenn der Heizkörper an der Decke säße? Würde sich das Zimmer gut erwärmen?
3. c) Die Position hat kaum Einfluss auf die Wärme, die der Heizkörper durch Strahlung abgibt: Kannst du sagen, warum?